Компьютерное моделирование реальной структуры металлических материалов при исследовании процессов деформации и разрушения

На правах рукописи

Воронин Сергей Васильевич

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМАЦИИ

И РАЗРУШЕНИЯ

Специальность 05.02.01 – Материаловедение (машиностроение)

01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара - 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология металлов и авиационное материаловедение» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва».

Научный руководитель: Доктор технических наук, доцент

Юшин Валентин Дмитриевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

КОСТЫШЕВ Вячеслав Александрович

Доктор физико-математических наук,

профессор

РАДЧЕНКО Владимир Павлович

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН,

(г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 16 октября в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд. 23.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.02; факс: (846) 278-44-00.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан _10_ сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.217.02.

д.т.н., профессор Денисенко А.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные отрасли машиностроения постоянно нуждаются в полуфабрикатах и деталях, к которым предъявляются высокие требования по качеству, связанные с физико-механическими свойствами, геометрической точностью изготовления, шероховатостью поверхности и рядом других параметров. Все приведенные свойства, как известно, в определенной степени зависят от структуры материалов. Поэтому при исследовании процессов деформации и разрушения необходимо более адекватно учитывать структуру материала, а в частности форму, размер и свойства структурных составляющих.

В настоящее время широкомасштабно используются компьютерные системы инженерного моделирования, анализа и оптимизации – САЕ (Computer Aided Engineering), такие как, MSC.Nastran, MSC.Marc, MSC.SuperForm. Перечисленные программные продукты позволяют решать соответствующие краевые задачи механики деформируемого твердого тела и моделировать с применением метода конечных элементов (МКЭ) технологические процессы деформации и разрушения, поведение различных систем, элементов конструкций, механизмов при внешних воздействиях, тем самым, сокращая объем дорогостоящих лабораторных и производственных экспериментов. Однако большинство моделей технологических процессов, создаваемых в вышеперечисленных программах, рассматривают обрабатываемый материал изотропным, без учета его структурных составляющих и анизотропии, в итоге снижается точность определения напряженно-деформированного состояния (НДС) обрабатываемой заготовки и инструмента, а также основных технологических параметров процессов.

Следовательно, разработка методов решения краевых задач и компьютерного моделирования реальной структуры металлических материалов при исследовании процессов деформации и разрушения на основе современного программного и математического обеспечения для инженерного анализа, является актуальным научным направлением.

Цель работы. Повышение эффективности и точности математического моделирования путем разработки и апробации методических подходов к решению краевых задач, компьютерному исследованию и визуализации процессов деформации, разрушения с учетом структуры металлических материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи

1. Разработать методики создания 2D и 3D конечно-элементных моделей объектов исследования с учетом реальной структуры материала.
2. Провести моделирование процесса растяжения плоских образцов из сплава АМг6 и АД1 с учетом реальной структуры и выполнить проверку адекватности реальным экспериментальным исследованием.
3. Установить целесообразность учета реальной структуры материала при моделировании процессов прокатки плоских образцов и осадки цилиндрического образца из сплава АМг6.
4. На основе МКЭ и разработанных методик решить ряд краевых задач и провести компьютерное исследование процесса фестонообразования при вытяжке полой цилиндрической детали из сплава АМг6 и АД1М.
5. Решить краевую задачу, визуализировать и провести исследование закономерностей процесса распространения трещины в плоском образце из анизотропного хрупкого материала методом компьютерного моделирования.

Научная новизна работы. Впервые разработаны методики создания 2D и 3D конечно-элементных моделей (КЭМ) объектов исследования с учетом реальной структуры материала, на примере алюминиевых сплавов АМг6 и АД1М. Разработаны программы-приложения автоматизированного построения моделей с учетом реальной структуры и кристаллографической ориентации зерен различных фаз для пакета программ MSC.Nastran for Windows (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009612613 от 22 мая 2009 г.).

На основе разработанных КЭМ показана возможность визуализации эволюции микроструктуры и изменения НДС обрабатываемого материала в процессах деформации – растяжении, осадке, прокатке, вытяжке листового материала.

С использованием КЭМ и решений краевых задач показана возможность оценки развития процесса фестонообразования при вытяжке полой цилиндрической детали из алюминиевого сплава АМг6 в зависимости от степени кристаллографической текстурованности материала.

Предложено теоретическое уравнение для расчета работы, требуемой на продвижение трещины, которое позволяет оценивать ее траекторию в зависимости от фазового и структурного состава материала. Разработанный алгоритм расчета траектории продвижения трещины в хрупких материалах с учетом реальной структуры, реализован в виде пользовательской программы-приложения для пакета MSC.Nastran for Windows (Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2009612614 от 22 мая 2009г.). Разработанная программа-приложение определения траектории распространения трещины в зависимости от фазового и структурного строения материала, использует вариационный метод выбора направления с применением предложенного теоретического уравнения для расчета работы, затрачиваемой на продвижение трещины. В ней реализована возможность визуализации процесса распространения трещины, что позволяет снизить временные затраты на расчет и дает возможность исследователю или технологу принимать решения по оптимизации структурного строения материала.

На защиту выносятся:

- методики создания КЭМ объектов исследования с учетом реальной структуры материалов;

- результаты новых решений краевых задач, компьютерных и экспериментальных исследований процессов деформации – растяжения, осадки, прокатки, вытяжки листового материала;

- установленные физические закономерности изменения НДС материала, определяемые учетом его реальной структуры;

- методики, на основе которых теоретически обоснован процесс фестонообразования при вытяжки листового материала;

- разработанные методики и алгоритмы для исследования процесса распространения трещин в хрупких анизотропных телах.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Методика автоматизированного построения 2D и 3D КЭМ объектов исследования с учетом реальной структуры реализована в виде двух пользовательских приложений для пакета программ MSC.Nastran for Windows, которые значительно сокращают временные затраты на построение КЭМ.

Исследования процесса одноосного растяжения КЭМ образца из алюминиевого сплава АМг6 с учетом его реальной структуры были использованы в рамках выполнения работы для ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г.Самара) по теме: «Разработка программно-методического обеспечения на базе MSC/Nastran for Windows для анализа остаточных микропластических деформаций элементов конструкции изделия 14Ф137», для определения уточненных значений кривой упрочнения с учетом микропластичности.

Разработанная компьютерная КЭМ процесса листовой штамповки реализованная в виде методик, позволяющих определять основные технологические параметры процесса, использовалась для решения производственной задачи штамповки цельнотянутых патрубков из титанового сплава ОТ4 на ОАО «Металлист-Самара» (г. Самара) (акт об использовании результатов научно-исследовательской работы от 25.07.2007).

Результаты учета анизотропии листового материала при компьютерном моделировании процесса вытяжки алюминиевых сплавов позволили дать необходимые рекомендации по доработке технологического процесса штамповка капсюля из алюминиевого сплава АД1М на ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

Апробация диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на Второй Международной научно-технической конференции «Металлодеформ-2004» (г. Самара, 2004); VIII и IX Всероссийских молодежных научных конференциях с международным участием «Королёвские чтения» (г. Самара, 2005, 2007); Межрегиональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России» (г. Самара, 2006); Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006); VIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов молодых ученых (г. Екатеринбург, 2007); V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии-2008» (г. Москва, 2008); 5-й Российской научно-технической конференции «Математическое моделирование и компьютерный инженерный анализ» (г. Екатеринбург, 2008); 7-й, 8-й, 9-й, 11-й Российских конференциях пользователей MSC.Software (г. Москва, 2004, 2005, 2006, 2008); межкафедральном научном семинаре по обработке металлов давлением СГАУ (Руков.: чл.-корр., д.т.н., проф. Гречников Ф.В., Самара, 2009); межвузовском научном семинаре «Прикладная математика и механика» СамГТУ (Руков.: д.ф.-м.н., проф. Радченко В.П., Самара, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в изданиях, входящих в перечень журналов рекомендованные ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 163 страницах, содержит 5 таблиц, 91 рисунков. Состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, глав, отражающих результаты собственных экспериментальных исследований и их обсуждения, общих выводов и списка литературы, включающего 153 источников, из них 46 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны краткое обоснование актуальности работы ее общая характеристика, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные положения выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 содержит литературный обзор, в котором приведен анализ работ по моделированию структуры материалов при деформации и разрушении. Обобщены сведения по исследованию различных процессов обработки металлов давлением классическими экспериментальными методами и методами компьютерного моделирования с применением программ инженерного анализа, основанных на МКЭ. Поставлена цель и сформулированы конкретные задачи.

В главе 2 представлены характеристики объектов исследования – химический состав, механические свойства алюминиевых сплавов АМг6, АД1М; методики приготовления микрошлифов вышеуказанных сплавов; КЭМ образцов и заготовок с учетом реальной структуры материалов; описание программ МКЭ, программы для количественного анализа изображений ImageExpert Pro 3.0. Приведены методики исследования физико-механических свойств материалов, в том числе, методики определения кристаллографической текстуры при помощи рентгеноструктурного анализа.

В главе 3 экспериментальной части приводятся результаты собственных исследований по разработке методик построения 2D и 3D КЭМ объектов исследования с учетом их реальной структуры. Первым этапом при разработке методик построения 2D и 3D КЭМ объектов производили приготовление микрошлифа исследуемого материала, который использовали для получения растрового изображения микроструктуры. При помощи компьютерной программы анализа изображений Image Expert Pro 3.0 обрабатывали картину микроструктуры. По полученным данным строили графики распределения по размерам для всех структурных составляющих для плоского изображения структуры (2D изображения).

При необходимости по данным рентгеноструктурного анализа определяли степень текстурованности – количество зерен, имеющих определенную кристаллографическую ориентировку.

В зависимости от типа структуры и необходимости учета текстурованности выбирали вариант построения КЭМ исследуемых объектов с учетом реальной структуры материала (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема построения КЭМ объектов исследования с учетом реальной структуры материала

Если моделируемая структура материала имеет четкие границы зерен, большое количество пор, то наиболее рациональным является использование методики построения КЭМ объектов исследования с учетом реальной структуры на основе геометрической CAD модели.

Реализация предлагаемой методики возможна как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Используя методику воспроизведения границ зерен структурных составляющих в виде кривых линий, определяли координаты точек с помощью программы Image Expert Pro 3.0, необходимые для построения линии образующих контур зерен, фаз и пор исследуемого объекта, а также определяли центры пор и их диаметр. По полученным данным строили CAD модель с границами зерен, фаз и контурами пор в виде линий (рис. 2, а).

Для получения КЭМ образца задавали физико-механические свойства структурных составляющих, выбирали размер конечного элемента (КЭ), определяли границы разбиения на КЭ площади каждого зерна и создавали КЭ сетку (рис. 2, б).

а	б
Рис. 2. КЭМ образца, полученная путем воспроизведения границ зерен структурных составляющих в виде кривых линий: а – CAD модель образца; б – КЭМ образца

Первоначальным этапом построения 2D КЭМ объектов с учетом реальной структуры, на основе геометрии, полученной конвертированием изображения микроструктуры, было получение ее «очищенного», бинаризованного растрового изображения (без дефектов, царапин полировки, остатков абразивов).

«Очищенное» растровое изображение микроструктуры исследуемого материала (рис. 3, а), конвертировали с помощью программы CorelDraw X3 в векторное изображение (рис. 3, б).

а	б
Рис. 3. Общий вид микроструктуры исследуемого объекта: а «очищенное» растровое изображение микроструктуры исследуемого материала; б – CAD модель, полученная конвертированием

Для построения 2D КЭМ воспроизводили операции предыдущей методики: задавали свойства структурных составляющих, выбирали размер КЭ и т.д.

Данный подход получения CAD модели исследуемого объекта позволяет получать наиболее адекватную CAD модель с меньшими временными затратами, чем при использовании варианта построения 2D КЭМ объектов с учетом реальной структуры путем воспроизведения границ некоторых структурных составляющих в виде кривых линий.

Однако существуют ряд ограничений к использованию вышеуказанного подхода: исследуемый материал, как правило, должен быть однофазным, границы зерен и изображение микроструктуры исследуемого материала – четкими. В случаях получения нечеткого изображения исходной микроструктуры исследуемого объекта, необходимо выполнить большой объем рутинных процедур – корректировок геометрии и границ зерен в импортированной CAD модели.

Построение 2D и 3D КЭМ объектов с учетом реальной структуры путем ручного пошагового задания КЭ свойства структурных составляющих выполняли на примере алюминиевого сплава АМг6. Получив растровое изображение микроструктуры исследуемого материала – алюминиевого сплава АМг6 (рис. 4, а) переходили к реализации основных этапов построения КЭМ объектов исследования.

Первым этапом для построения плоских (2D) и объемных (3D) тел являлось создание геометрии исследуемых объектов – построение внешних границ для 2D КЭМ или поверхностей для 3D КЭМ образца, трещин и пор.

На втором этапе задавали свойства всех структурных составляющих сплава АМг6: зерен -твердого раствора, упрочняющей -фазы (Al3Mg2).

Для построения 2D КЭМ структурных составляющих вручную пошагово (поэлементно) необходимо изменять их свойства, одновременно контролируя форму и размер моделируемых структурных составляющих на мониторе компьютера. Используя вышеприведенный алгоритм была построена КЭМ микроструктуры сплава АМг6 (рис. 4, б).

а	б
Рис. 4. Микроструктура сплава АМг6: а – реальная микроструктура; б – КЭМ

Вышеприведенные методики построения структурных составляющих материала являются достаточно трудоемкими, а некоторые из них позволяют воспроизводить ограниченное число типов структур, в связи с этим нами была разработана программа-приложение (макрос) для MSC.Nastran for Windows, позволяющая при задании необходимых параметров автоматически моделировать КЭМ исследуемых объектов с учетом реальной структуры материала. К числу параметров, определяемых пользователем, относятся типоразмеры и физико-механические свойства (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел прочности и текучести, кривая упрочнения) структурных составляющих, количество зерен каждого типоразмера, диапазон их ориентации, размер зерна, выраженный в КЭ.

Данная программа-приложение позволяет моделировать структурные составляющие материалов с определенным типом структуры – кристаллографически ориентированные зерна, фазы выделения, поры в 2D и 3D форматах (рис. 5).

а	б
Рис. 5. 2D КЭМ объекта исследования с учетом реальной структуры построенная с использованием программы-приложения: а – общий вид КЭМ; б – кристаллографическая ориентация отдельных зерен

Полученные КЭМ тестового однофазного материала и алюминиевого сплава АМг6, который относится к двухфазным материалам, будут использованы для исследования влияния структуры материала на процессы деформации и разрушения.

В четвертой главе описано сравнительное компьютерное исследование различных процессов деформации образцов из сплава АМг6 без учета и с учетом реальной структуры.

Растяжение является наиболее распространенным механизмом в процессах обработки металлов давлением, поэтому процесс деформации алюминиевого сплава АМг6 при растяжении изучали в упругой и пластической областях на построенной нами КЭМ. Исследование проводилось в двух вариантах: в одном – КЭМ сплава АМг6 рассматривали как изотропный материал, а в другом – учитывали его реальную структуру.

К КЭМ прикладывали одноосные растягивающие напряжения: величиной 12 кг/мм2 – для исследования процессов, происходящих под действием упругих сил; 20 кг/мм2 – для исследования процессов, происходящих под действием сил, вызывающих пластическую деформацию.

Критериями поведения материала образца при деформации были выбраны характер распределения эквивалентных напряжений Мизеса и деформаций, их величина в упругой и пластической областях и изменение рельефа поверхности материала.

Сравнительный анализ распределения эквивалентных напряжений Мизеса в КЭМ изотропного образца и образца с учетом реальной микроструктуры сплава АМг6 при растяжении под действием напряжения равного 12 кг/мм2 показал: в каждой точке КЭМ изотропного образца возникли напряжения одинаковой величины – 12 кг/мм2, а в модели образца с учетом реальной микроструктуры возникшие напряжения находились в диапазоне от 4,09 до 17,18 кг/мм2, что говорит о появлении локальных участков с микропластической деформацией (рис. 6).

а	б
Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние КЭМ образцов сплава АМг6 при растяжении под действием напряжения 12 кг/мм2: а – КЭМ изотропного образца; б – КЭМ образца с учетом реальной микроструктуры

Сравнивая распределения эквивалентных напряжений Мизеса в КЭМ изотропного образца и образца с учетом реальной микроструктуры сплава АМг6 при растяжении под действием напряжения равного 20 кг/мм2 было установлено, что в КЭМ изотропного образца распределение напряжений однородные, величина, возникающих напряжений равна 20 кг/мм2; а в КЭМ образца с учетом реальной микроструктуры распределение напряжений носило неоднородный характер и возникшие напряжения находились в диапазоне от 12,28 до 43,52 кг/мм2.

График изменения рельефа поверхности КЭМ образца с учетом реальной структуры после снятия нагрузки позволяет оценить степень шероховатости испытуемого образца, а аналогичный график для КЭМ изотропного образца не является информативным. Очевидной причиной образования шероховатости в КЭМ образца с учетом реальной структуры следует считать наличие фаз с различными физико-механическими свойствами.

Характер изменения рельефа поверхности образцов при величине напряжения равного 20 кг/мм2 в большей степени неоднороден в анизотропном материале.

Для определения влияния структуры материала на технологические параметры, производили моделирование процессов осадки изотропного образца и образца с учетом реальной структуры (анизотропного). Картина распределения напряжений и деформаций КЭМ анизотропного образца в момент максимальной нагрузки свидетельствует о неоднородности пластической деформации.

Из графиков зависимости изменения усилия деформации от перемещения верхней половины штампа видно, что максимальное усилие, необходимое для деформации модели образца с изотропной структурой на 20% больше, чем для модели образца с анизотропной структурой (рис. 7). Вышесказанное свидетельствует о существенном влиянии учета реальной структуры материала на величину параметров технологических процессов.

а	б
Рис. 7. Графики изменения усилия, требуемого для деформации КЭМ образцов из сплава АМг6: а изотропная КЭМ; б анизотропная КЭМ

Проведенное компьютерное моделирование процесса прокатки плоских образцов из сплава АМг6 продемонстрировало, что распределение эквивалентных напряжений в КЭМ анизотропного образца неравномерно по объему, в отличие от КЭМ изотропного образца. При этом в КЭМ анизотропного образца наблюдаются локальные участки с повышенными значениями напряжений (рис. 8).

а	б
Рис. 8. Распределение эквивалентных напряжений Мизеса в прокатном валке и в КЭМ образца АМг6: а изотропная КЭМ; б анизотропная КЭМ

Моделирование процесса прокатки плоских КЭМ изотропного и анизотропного образцов показало влияние учета реальной структуры материала на основные технологические параметры процесса: НДС образцов, значение полного давления металла на валки, момент прокатки и шероховатость получаемых полуфабрикатов.

Исследована производственная задача штамповки капсюля из алюминиевого сплава АД1М. Результаты рентгеноструктурного анализа показывают, что материал, несмотря на заявленное состояние поставки текстурован. Промоделированный первый переход штамповки показал, что в модели изотропной заготовки листового материала фестонообразования не наблюдалось, а в анизотропной заготовке высота фестонов на 10,9% больше, чем в реальном изделии (рис. 9). Аналогичные исследования были проведены для второго перехода данного процесса, при этом отмечена сходимость геометрических параметров изделия с параметрами анизотропной модели (см. таблицу).

Геометрические параметры капсюля из сплава АД1М

		Первый переход штамповки						Второй переход штамповки
		Изотропная		Эксперимент		Анизотропная		Изотропная			Эксперимент	Анизотропная
Высота	Фестон	3,77		3,92		4,4	10,9%	5,3			4,75	5,42	12,4%
	Провал			3,61		4,1	11,9%				4,36	5	12,8%
Диаметр	Дно	7,87	2,36%	8,06		8,03	0,37%	7,84	1,3%		7,94	7,91	0,4%
	Середина	8,05	0,37%	8,08		8,06	0,25%	7,78	1,9%		7,93	8	0,9%
	Юбка	8,03	0,86%	8,14		8,17	0,36%	7,89	0,5%		7,93	7,93	0%
а					б					в
Рис. 9. Капсюль из сплава АД1М после первого перехода процесса штамповки: а – изотропная КЭМ; б – анизотропная КЭМ; в – реальное изделие

Было проведено моделирование процесса вытяжки полой цилиндрической детали из алюминиевого сплава АМг6. Для этой цели построены четыре модели заготовок: абсолютно изотропная модель, модель анизотропного материала, в которой учитывали наличие зерен -твердого раствора и упрочняющей фазы Al3Mg2 и модели анизотропного материала текстурованного на 40 и 70%.

По завершении расчетов в программе MSC.Marc, были получены картины распределения эквивалентных пластических деформаций и изменения геометрии во всех исследуемых моделях (рис. 10). С их использованием возможна количественная оценка величины пластической деформации всех структурных составляющих: черно-белый контраст рисунков отражает величину пластической деформации.

а	б	в	г
Рис. 10. Распределение эквивалентных пластических деформаций в КЭМ исследуемых образцов из сплава АМг6: а – изотропный; б – анизотропный; в – анизотропный текстурованный на 40%; г – анизотропный текстурованный на 70%

Были получены профили образовавшихся фестонов, их разнотолщинность по образующей и по периметру детали, определены значения максимальных усилий вытяжки для изотропной, анизотропной, текстурованных на 40 и 70% КЭМ заготовок.

В главе 5 автором предложена методика визуализации процесса продвижения трещин при компьютерном моделировании с использованием разработанной программы-приложения для пакета МSC.Nastran for Windows.

В основу разрабатываемой методики визуализации распространения трещины заложены два принципа: разрушение материала происходит при достижении предела прочности под действием приложенных внешних сил в отдельных точках КЭМ; трещина движется в направлении совершения минимальной работы при продвижении на расстояние, определяемое величиной КЭ.

Работа, затрачиваемая на перемещение трещины, рассчитывалась по предложенному нами эмпирическому уравнению:

,

где А – затрачиваемая работа на перемещение трещины, Дж; г – напряжение в вершине трещины, Н/м2; i – напряжение в предполагаемом узле последующего раздвоения, Н/м2; l – расстояние между узлом вершины трещины и предполагаемым узлом последующего раздвоения, м; t – толщина образца, м; – угол между осью Y и направлением предполагаемого движения трещины, градусы.

а	б
Рис. 11. Траектория распространения трещины в КЭМ хрупкого анизотропного образца: а НДС модели; б изображение структуры

На рисунке 11 приведены результаты визуализации траектории распространения трещины по предложенной методике в КЭМ хрупкого анизотропного образца тремя различными структурными составляющими и с дефектами различной формы, введенными для создания сложного характера распределения напряжений.

По результатам пошаговой визуализации распространения трещины созданы анимационные файлы в AVI-формате, позволяющие проводить анализ процесса разрушения материала.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны методики создания 2D и 3D конечно-элементных моделей микроструктуры сплавов, предполагающие использование пошагового построения зерен и фаз, в том числе с использованием программы-приложения (макроса) на базе Femap Basic Script в автоматизированном режиме.
2. При одноосном растяжении в упругой и в пластической областях установлена картина распределения напряжений и деформаций для изотропных моделей плоских образцов сплава АМг6 и моделей с учетом реальной структуры. При приложении к образцам с учетом реальной структуры нагрузки, не превышающей условного предела текучести, в зернах -твердого раствора локально вблизи пор возникают участки с микропластической деформацией. При моделировании растяжения в пластической области характер деформации случайно выбранных зерен совпадает с характером деформации зерен образца из сплава АД1 в реальном эксперименте по растяжению.
3. Проведенное компьютерное исследование процесса осадки цилиндрического и прокатки плоского образцов из сплава АМг6 на основе решения соответствующих краевых задач установило неоднородность протекания пластической деформации в моделях с учетом реальной структуры и связанное с этим уменьшение усилия деформации, а также момента, возникающего на валке в процессе прокатки.
4. Показано, что учет реальной структуры сплава АМг6 позволяет анализировать появление шероховатости поверхности материала при наличии фаз различной жесткости. Установлено, что максимальные значения эквивалентных напряжений возникают на границах фаз с наибольшей разностью значений модулей упругости.
5. Решен ряд краевых задач и проведен анализ процесса фестонообразования в процессе вытяжки полых цилиндрических деталей из текстурованных сплавов АМг6 и АД1М. На участках образования фестонов, наблюдается утонение стенки детали. Закономерности фестонообразования при компьютерном исследовании согласуются с литературными данными и данными производственного эксперимента.
6. Предложена методика оценки кинетики и визуализации распространения трещин в моделях изотропного и анизотропного хрупких материалов. Предложено теоретическое уравнение для определения траектории продвижения трещины, устанавливающее зависимость между работой, необходимой для продвижения трещины и напряжениями в образце и его геометрическими параметрами. Установлено влияние структуры материала на траекторию продвижения трещины.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАННЫ

В РАБОТАХ

1. Воронин, С. В. Влияние фаз структурных составляющих металлов и сплавов на распределение в них напряжений [Текст] / С. В. Воронин, Ю. В. Капустина, О. Г. Савельева // Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования. Секц. 1, перв. шаги в наук. : сб. матер. / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. – Самара, 2004. – С. 9.
2. Юшин, В. Д. Построение 3D модели реальной структуры конструкционных материалов при использовании программ МКЭ [Текст] / В. Д. Юшин, Г. З. Бунова, С. В. Воронин ; Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. – Самара, 2005. 4 с. Библиогр.: с. 4. Деп. в ВИНИТИ 03.10.05, № 1272-В2005.
3. Юшин, В. Д. Учет реальной структуры конструкционных материалов при компьютерном моделировании технологических процессов и разработке новых сплавов с использованием MSC.Nastarn for Windows [Текст] / В. Д. Юшин, Г. З. Бунова, С. В. Воронин ; Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. Самара, 2006. 14 с. Библиогр.: с. 14. Деп. в ВИНИТИ 16.12.05, № 1691-В2005.
4. Воронин, С. В. Компьютерное моделирование процесса деформации сплава АМг6 [Текст] / С. В. Воронин // VIII Королевские чтения : тез. докл. – Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. – Самара, 2005. – С. 202.
5. Разработка программно-методического обеспечения на базе MSC/Nastran for Windows для анализа остаточных микропластичеких деформаций элементов конструкций изделия 14Ф137 [Текст] : техн. отчет / ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» ; рук. Шулепов А. И. Самара, 2006. 133 с. Исполн.: Пересыпкин В. П., Пересыпкин К. В., Иванова Е. А., Юшин В. Д., Воронин С. В. № 14Ф137-92-1104-2004 ТЗ.
6. Бунова, Г. З. Повышение эффективности обучения студентов при использовании компьютерного моделирования технологических процессов [Текст] / Г. З. Бунова, В. Д. Юшин, С. В. Воронин // Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России : сб. тез. докл. / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. – Самара,2006. – С.26.
7. Юшин, В. Д. Методика компьютерного исследования конструкционных материалов [Текст] / В. Д. Юшин, Г. З. Бунова, С. В. Воронин // Физика прочности и пластичности материалов : сб. тез. / Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2006. – С. 219–220.
8. Воронин, С. В. Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением с учетом реальной структуры материалов [Текст] / С. В. Воронин, В. Д. Юшин, Г. З. Бунова // Физика прочности и пластичности материалов : тр. XVI Междунар. конф. / Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2007. Т. 1. С. 58–61.
9. Воронин, С. В. Компьютерное исследование влияния реальной структуры материалов на характер распространения трещин в хрупких анизотропных телах [Текст] / С. В. Воронин, Г. З. Бунова, В. Д. Юшин // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2006. – № 4. – С. 72–77.
10. Воронин, С. В. Учет реальной структуры материалов при компьютерном моделировании процессов обработки металлов давлением [Текст] / С. В. Воронин // IХ Королевские чтения : тез. докл. / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева. – Самара, 2007. – С. 151.
11. Воронин, С. В. Особенности компьютерного моделирования процессов деформации и разрушения металлов и сплавов с учетом их реальной структуры [Текст] / С. В. Воронин // VIII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых : сб. тр. / ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. – Екатеринбург, 2007. – С. 179–182.
12. Юшин, В. Д. Методика определения условного предела релаксации напряжений металлов и сплавов [Текст] / В. Д. Юшин, Г. З. Бунова, С. В. Воронин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2007. – № 1 (12). – С. 223–227.
13. Юшин, В. Д. Визуализация процесса распространения трещины в хрупких анизотропных материалах при компьютерном моделировании [Текст] / В. Д. Юшин, С. В. Воронин, Ф. В. Гречников, Г. З. Бунова // Механика микронеоднородных материалов и разрушение : тез. докл. / ИМАШ УрО РАН. – Екатеринбург, 2008. – С. 64.
14. Воронин, С. В. Компьютерное моделирование процесса распространения трещины в хрупких телах [Текст] / С. В. Воронин, В. Д. Юшин, Г. З. Бунова // Новые материалы и технологии – НТМ-2008 : матер. конф. / ИЦ МАТИ. – М., 2008. – Т. 1. С. 6–7.
15. Воронин, С. В. Компьютерное моделирование процесса прокатки сплава АМг6 с учетом его анизотропии [Текст] / С. В. Воронин, В. Д. Юшин, Г. З. Бунова // Известия вузов. Авиационная техника. – 2008. – № 3. – С. 72–73.
16. Бунова, Г. З. Компьютерное моделирование процесса вытяжки полых стаканчиков из сплава АМг6 с учетом реальной структуры материала [Текст] / Г. З. Бунова, С. В. Воронин, Ф. В. Гречников, В. Д. Юшин // Известия Самарского научного центра РАН. Самара, 2009. Т. 11. № 3 (29). С. 219224.

В работах [1-3,7-9,12-16] выполненных в соавторстве, автору принадлежит совместная постановка задач исследований, решение краевых задач [5,6] и анализ полученных результатов.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.02 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет

(протокол № 2 от июля 2009 г.)

Заказ № 775 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.

ГОУВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244